用于将氧化锌沉积在衬底上的方法专利检索-空间原子层沉积原子层沉积化学气相沉积真空镀膜表面处理和涂层专利检索查询-专利查询网

用于将 氧化锌沉积在衬底上的方法

阅读：1007发布：2020-09-19

专利汇可以提供用于将氧化锌沉积在衬底上的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于将氧化锌沉积在衬底上的方法，其中氧化锌用作源材料。在此，在第一阶段中，氧化锌还原成元素锌，原位产生的元素锌蒸汽状地引至待覆层的衬底并且在那里暴露于氧化气氛。在此，进行氧化锌在衬底的表面上的沉积。本发明的特征在于，将甲烷或另一还原剂用于将用作源材料的氧化锌还原成元素锌，所述另一还原剂在还原时占优的条件下通过热分解释放甲烷和/或甲基自由基。所产生的锌气体流在反应器的另一部分中在输送氧气或其他氧化性物质的条件下直接用于沉积结晶的氧化锌层。，下面是用于将氧化锌沉积在衬底上的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于将氧化锌沉积在衬底上的方法，其中通过使所述源材料与气态的还原剂接触的方式，在第一阶段中将由氧化锌构成的源材料或包含氧化锌的源材料还原成在还原条件下气态存在的锌，并且
在与所述第一阶段局部分开的第二阶段中，将气态的锌运送至所述衬底，其中所述气态的锌通过添加氧化剂转化成氧化锌并且将所产生的所述氧化锌沉积在所述衬底的表面上，
其特征在于，
所述气态的还原剂选自：甲烷或至少一个前体的热分解产物，所述前体在所述第一阶段中占优的还原条件下热分解，其中释放甲烷和/或甲基自由基和/或丙酮。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少一个所述前体具有官能团，尤其至少一个次甲基基团、乙基基团和/或甲基基团，在所述官能团中氢原子结合到碳原子上。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少一个所述前体在标准条件下是液态或气态的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少一个所述前体选自：脂肪烃、芳香烃或杂环烃，优选烷烃、烯烃、炔烃、脂肪醇或芳香醇，尤其甲烷和/或异丙醇。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
a)所述第一阶段在300℃至1200℃，优选500℃至1000℃，尤其优选700℃至950℃的温度下执行，并且
b)所述第二阶段在300℃至1200℃，优选450℃至950℃，尤其优选650℃至900℃的温度下执行。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述第一阶段和/或所述第二阶段在10-5毫巴至3000毫巴，优选500毫巴至1500毫巴，尤其优选900毫巴至1100毫巴的压力下，尤其在环境压力下执行。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述方法在气体流中执行，其中至少一个所述前体和/或所述气态的还原剂借助所述气体流运送至所述源材料，和/或所述气态的锌借助所述气体流从所述第一阶段中运走，并且运送至所述第二阶段。
8.根据上一项权利要求所述的方法，
其特征在于，
所述气体流的气体是一种在所述第一阶段和/或所述第二阶段中相对于至少一个所述前体和/或所述还原剂占优的条件下的化学惰性的气体或由多种化学惰性的所述气体构成的一种混合物，化学惰性的所述气体优选选自：氩气、氮气、氦气，以及是由上述气体中的至少两种气体构成的多种混合物。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少一个所述前体与所述气体流分开地交付到所述第一阶段中，优选在气态状态下交付到所述第一阶段中。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
针对至少一个所述前体在所述第一阶段和/或所述第二阶段中占优的条件下可燃的情况，至少一个所述前体在所述第一阶段中的浓度设定低于对于点燃临界的浓度。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
交付到所述第二阶段中的所述氧化剂优选选自氧气、空气和/或过氧化氢，其中在所述第二阶段中占优的条件中所述氧化剂是气态的。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
使用粉末形式的所述源材料，尤其，所述源材料是氧化锌粉末，其中优选根据粒度和密度能够实现一定的升华速率。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述方法在高温炉、尤其管式炉中执行，其中所述第一阶段和所述第二阶段在所述炉中空间上彼此分开。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述衬底选自：无机材料，尤其金属、半金属、半导体、金属氧化物或陶瓷材料，所述衬底尤其选自蓝宝石，氮化镓，硅，锗，氧化铝，玻璃，或结晶的金属膜或金属氧化物膜。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述气体流中附加地引入至少一种掺杂剂来渗入外来原子，尤其铟、镓或铝，借助所述掺杂剂以传导的方式掺杂用于沉积的所述氧化锌层。
16.一种根据上述权利要求中任一项所述方法的应用，所述方法用于制造不导电层，透明导电层(透明导电氧化物，“TCO”)，衬底上的电接触件或导体结构，多层系统中的易于蚀刻的牺牲层，用于传感器应用的纳米结构或宏观结构，薄膜晶体管(显示屏上的TFT)，肖特基二极管和场效应晶体管。

说明书全文

用于将氧化锌沉积在衬底上的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于将氧化锌沉积在衬底上的方法，其中氧化锌用作源材料。在此，在第一阶段中，氧化锌还原成元素锌，原位产生的元素锌蒸汽状地导引至待覆层的衬底并且在那里暴露于氧化气氛。在此，发生氧化锌在衬底表面上的沉积。本发明其特征在于，甲烷或另一还原剂用于将用作源材料的氧化锌还原成元素锌，所述还原剂在还原时占优的条件下通过热分解释放甲烷和/或甲基自由基。所产生的锌气体流在反应器的另一部分中在输送氧气或其他氧化性物质条件下直接用于沉积结晶的氧化锌层。

背景技术

[0002] 从现有技术已知的、用于沉积氧化锌的方法，尤其金属有机气相外延、磁控溅射、等离子辅助方法、分子射束外延等的特征在于：所述方法能够明显更耗费地设计，其中所述方法实现达到高的纯度或良好地控制掺杂。

[0003] 替选地，存在用于制造特别是多晶的ZnO层或ZnO纳米结构的价格便宜的、纯湿法化学的低温方法，所述方法虽然非常便宜，但仅提供具有高密度的晶体缺陷的低品质材料，以及难以控制。

[0004] 因此，迄今已知的方法的特征在于，所述方法在实施时是明显昂贵的并且是更耗费的，并且此外一方面具有低的生长速率，另一方面，对(尤其在湿法化学方法中)产生的层的特性的控制可能是明显更差的。

[0005] 此外，在用于沉积氧化锌层的已知的CVD方法中，一方面使用高毒性和腐蚀性的氧源，如二氧化氮，这是另一缺点，在所述CVD方法中使用金属锌。

发明内容

[0006] 因此，本发明的目的是提出一种用于将氧化锌沉积在衬底上的方法，所述方法避免上述缺点。根据本发明的方法尤其应当是便宜的，能良好进行控制，并且实现相对快速的、可转移到更大规模的方式制造传导性的且在光学范围中透明的氧化锌层。

[0007] 该目的借助权利要求1的特征实现。在此，从属权利要求提出方法的有利的改进方案。借助权利要求15示出方法的应用可行性。

[0008] 因此，本发明涉及一种用于将氧化锌沉积在衬底上的方法，其中通过使源材料与气态的还原剂接触的方式，在第一阶段中将由氧化锌构成的源材料或包含氧化锌的源材料还原成在还原条件下气态存在的锌。在此，气态的还原剂选自甲烷或至少一个前体的热分解产物，所述前体在第一阶段中占优的还原条件下热分解，其中释放甲烷和/或甲基自由基和/或丙酮。在第二阶段中，气态的锌运送至衬底，并且在那里在氧化条件下转化成氧化锌并且在此作为优选结晶的(尤其六边形的)氧化锌沉积在衬底的表面上。

[0009] 本发明实现用非常少的设备上的耗费来非常良好地控制不同衬底上的氧化锌半导体层(尤其蓝宝石、ZnO、氮化镓，但还有硅、玻璃等)，并且能够将该氧化锌半导体层以高的晶体和电子品质进行沉积。借此，尤其能够制造透明电子接触件(n型，例如所有可能类型的太阳能电池，光电检测器，薄膜晶体管(例如显示屏上的TFT)以及其它电子器件)。此外，这些层对于气体、化学品、蛋白质等的传感器应用是具有显著意义的。

[0010] 本发明的重点是选择用于生长ZnO层的源材料和前体或其所基于的化学工艺。如在所建立的方法中例如使用成本低的ZnO粉末作为源材料替代金属锌或金属有机化合物。如经常在生长纳米结构生长时，不借助混入的石墨粉末来进行将ZnO还原成Zn蒸汽(这在该生长工艺中会难于控制)，而是经由气态的还原剂来进行。

[0011] 经由在此使用的还原剂，整个还原从而晶体生长能够经由非常简单的从而低成本的生长工艺来控制。整个工艺有利地能够在简单的管式炉中执行。与借助纯锌作为源材料的其他CVD生长方法相比，对于ZnO生长所需的氧气能够直接与气态的还原剂导入在生长设备中，而不需要附加的接口或气体进口。由此，该方法能够非常简单地针对更大直径按比例扩大。

[0012] 决定性的优点是，可以采用非临界的化合物/例如异丙醇作为还原剂。迄今，在用纯锌作为源材料的CVD生长中，大多使用毒性气体、如二氧化氮。通过惰性气体用作运输气体，烃的浓度还能够保持低于对于点燃临界的浓度，从而避免在设备中不受控的燃烧反应。由此，将火灾危险保持得非常低。生长还能够在常压下执行，由此不需要真空技术。生长温度能够选择为大约800℃，其显著高于在用纯锌作为源物质的CVD方法中的生长温度，在所述炉用纯锌作为源物质的CVD方法中，炉中的温度必须保持低于锌熔点(420℃)。因此，得出所产生的层的更好的结晶质量。

[0013] 借助电子显微镜、X射线测量和低温光致发光能够证实层的非常良好的结晶质量和纯度。

[0014] 在此，用于将氧化锌还原成锌的活性还原剂要么直接作为甲烷气体引入，要么从前体材料中获得。该前体材料在将氧化锌还原成锌的第一阶段中分解成活性还原剂甲烷或甲基自由基。如果在第一阶段中使用前体代替甲烷，那么该前体热分解成活性还原剂。因此，该方法的第一阶段需在如下温度下运行，所述温度实现将前体材料热分解成甲烷或甲基自由基和/或丙酮。

[0015] 甲烷或在分解时产生的产物引导经过ZnO粉末，并且然后负责将ZnO源材料还原成元素锌。

[0016] 根据一个优选的实施方式，一个或多个前体具有官能团，尤其至少一个次甲基基团、乙基基团和/或甲基基团，在所述官能团中氢原子结合到碳原子上。

[0017] 更优选地，一个或多个前体在标准条件下是液态或气态的。

[0018] 根据一个尤其优选的实施方式，一个或多个前体选自：脂肪烃、芳香烃或杂环烃，优选烷烃、烯烃、炔烃、脂肪醇或芳香醇。

[0019] 因此，原则上全部烃或具有由碳和氢构成的官能团(例如次甲基基团、乙基基团或甲基基团)的其他化合物、例如醇适合作为还原剂。在还原剂在高温炉中运输至ZnO源材料期间，通过还原剂的热诱导分解在一个或多个中间反应中产生甲烷(CH4)和CH3自由基，或直接输送CH4。对于使用含氧前体的情况而言，释放丙酮同样是可行的，所述丙酮同样起还原剂作用。

[0020] 尤其，烷烃，例如甲烷或脂肪醇、例如异丙醇或乙醇作为前体材料被证明为是适合的。

[0021] 还原剂要么能够直接气态地导入生长设备中，要么经由蒸汽压力饱和器(英文：起泡器bubbler)输送到生长设备中。在后一方法中，在惰性的载气引导到生长设备中之前，该惰性的载气首先引导通过起泡器系统。由此，所述还原剂混入载气，由此所述还原剂同样到达到设备中。

[0022] 优选地，第一阶段，即将氧化锌还原成锌根据工艺压力在300℃至1200℃，优选500℃至1000℃，尤其优选700℃至950℃的温度下执行。

[0023] 气态的元素锌经由载气(惰性气体，例如氩气或氮气)运送至衬底，在所述衬底上在输送氧气或其他适合的氧化剂的情况下发生氧化锌的生长。

[0024] 生长的第二阶段根据工艺压力优选在300℃至1200℃，优选450℃至950℃，尤其优选650℃至900℃的温度下执行。

[0025] 第一阶段和/或第二阶段根据第一阶段和第二阶段的温度能够在10-5毫巴至3000毫巴，优选500毫巴至1500毫巴，尤其优选900毫巴至1100毫巴，尤其环境压力下执行。

[0026] 根据一个尤其优选的实施方式，根据本发明的方法在气体流中执行，其中至少一个前体和/或气态的还原剂借助气体流运送至源材料和/或气态的锌借助气体流从第一阶段中运走并且运送至第二阶段。

[0027] 因此，源材料和衬底优选共同处于气体流中，其中衬底相对于源材料在下游设置在气体流中。

[0028] 另一优选的设计方案提出：气体流的气体是在第一阶段和/或第二阶段中相对于至少一个前体和/或还原剂占优条件下的化学惰性的气体或由化学惰性的所述气体中的多种气体构成的混合物，化学惰性的所述气体优选选自氩气、氮气、氦气，以及是由上述气体中的至少两种气体构成的混合物。

[0029] 替选于此同样可行的是：至少一个前体与气体流分开地交付到第一阶段中，优选在气态状态下交付到第一阶段中。

[0030] 对于例如在标准条件下使用液态的前体的情况而言，所述前体优选例如能够借助常用的蒸发方法转化成气相并且以该方式输送给第一阶段。

[0031] 尤其优选地，在根据本发明的方法中，对于至少一个前体在第一阶段和/或第二阶段中占优的条件下可燃的情况而言，至少一个前体在第一阶段中的浓度设定在对于点燃临界的浓度之下。

[0032] 在第二阶段中，氧化条件能够通过交付在第二阶段中占优的条件下气态的氧化剂，优选氧气、空气和/或H2O2来达到。

[0033] 尤其使用呈粉末形式的源材料，特别地源材料是氧化锌粉末，在所述氧化锌粉末中根据粒度和密度能够实现一定的升华速率。选择的ZnO粉末的平均粒度越小，氧化锌的表面积就显得得越大并且材料在所提出的反应条件下就越好地升华。

[0034] 根据本发明的方法能够以优选的方法和方式在高温炉中、尤其在管式炉中执行，其中第一阶段和第二阶段在炉中空间上彼此分开并且能单独调节温度。

[0035] 基本上全部如下固体层材料适合作为能够用根据本发明的方法覆层的衬底材料，所述固体材料在第二阶段中占优的条件下保持其聚集状态并且不分解。尤其适合于此的是具有足够高熔点的无机材料。尤其优选的是，借助根据本发明的方法能够对金属、半金属、半导体、金属氧化物(例如，ZnO)或陶瓷材料覆层。选自蓝宝石，氮化镓，硅，锗，氧化铝，玻璃，以及由金属或金属氧化物构成的结晶的膜是尤其适合的。更优选地，在第二阶段中能够执行沉积的氧化锌膜的同时掺杂。为此，将相应的掺杂剂添加到第二阶段的气氛中。特别地，为了掺杂沉积的氧化锌层，尤其通过将铝原子、铟原子或镓原子嵌入到氧化铝层中的方式提供n型掺杂。为此，添加从现有技术已知的通见的铝化合物、铟化合物或镓化合物来掺杂在第二阶段中的气氛的沉积的氧化锌层。

[0036] 根据本发明的方法优选适合用于制造不导电层，透明导电层(透明导电氧化物，“TCO”)，衬底上的电接触件或导体结构，多层系统中的易于蚀刻的牺牲层，用于传感器应用的纳米结构或宏观结构，薄膜晶体管(显示屏上的TFT)，肖特基二极管和场效应晶体管。

标题	发布/更新时间	阅读量
利用空间原子层沉积的原位膜退火	2020-05-11	256
一种空间环境用长效抗菌固体润滑膜层及其制备方法	2020-05-17	613
一种基于空间隔离的纳米颗粒原子层沉积装置及方法	2020-05-12	749
用于空间原子层沉积的加热源	2020-05-11	70
利用空间原子层沉积进行无缝间隙充填	2020-05-11	939
原子层沉积装置及方法	2020-05-14	808
用于空间分离原子层沉积的设备及制程密闭度	2020-05-11	90
反应物沉积方法	2020-05-15	357
用于薄膜沉积的方法和系统	2020-05-16	628
多层涂层、制作多层涂层的方法及其应用	2020-05-16	610

用于将氧化锌沉积在衬底上的方法

用于将氧化锌沉积在衬底上的方法

技术领域

背景技术

发明内容

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：